Titanlegeringer i flymotorer: Vifte- og kompressorapplikasjoner og klassevalg

Hvorfor titan er viktig i flymotorer

En motor er det som gir et fly skyvekraften, og materialene som velges for den motoren bestemmer hvor mye skyvekraft som kan produseres for en gitt vekt. Stål er fortsatt viktig, men en moderne motor er også avhengig av aluminiumslegeringer, titanlegeringer, kompositter og høy-temperaturlegeringer. Ettersom titan har forbedret ytelsen og falt i kostnader, har andelen av motormassen økt år etter år, og mengden som brukes varierer betydelig mellom land, produsenter, motormodeller og individuelle design.

Jetmotorer er hovedanvendelsen av titan. For en amerikansk motorprodusent utgjør deler av titanlegering 7 % til 18 % av nettomassen til en motor, mens en tidlig amerikansk turbojet på 1950-tallet brukte omtrent 6 % titan.

Titaninnhold i jetmotorer

I en mye brukt amerikansk turbojet var 17-trinns rotoren opprinnelig laget av rustfritt stål og ble senere endret til en 11-trinns skive i titanlegering. En senere versjon av den motoren brukte 20% titanlegering etter masse, mot bare 4% i den tidligere versjonen - en femdobling oppnådd hovedsakelig ved å erstatte stålkomponenter i kompressoren.

Kjøreretningen er den samme på tvers av industrien: ettersom kompressorens utløpstemperaturer øker og designere presser på for lavere motorvekt, blir mer av den roterende og statiske maskinvaren omdannet fra stål til titanlegering.

Vifte og kompressorlegeringer i store turbofans

I en tidlig amerikansk turbofanmotor er viftebladene til lav-kompressoren, sammen med avstandsstykkene og vifteventilen, laget av Ti-6Al-4V; disse viftebladene er 406 mm lange, omtrent dobbelt så lang som kompressorbladene. I en senere høybypass turbofan fra samme produsent er viftebladene 711 mm lange, nesten ti ganger lengden på kompressorbladene. Titanlegering står for 28 % av massen til den motoren, omtrent 1,035 tonn, hvorav 46 vifteblader er laget av Ti-6Al-4V.

Rotoren til lav-kompressoren og det niende trinnet til en 11-trinns høytrykkskompressor er laget av Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V og Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Den siste av disse tåler service ved 480 grader, og 450 kg av den brukes i motoren. Statorvinger er laget av Ti-5Al-2.5Sn legering.

I en motor utviklet i fellesskap av flere land, som veier 2,2 t, utgjør titan 31 % av massen. I en britisk-designet høytrykkskompressor, bruker trinn 3 til 6 en legering med høy krype-motstand av typen Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si, mens japanskbygde motorer bruker Ti-6Al-4V for vifte- og lavtrykkskompressorkomponenter.

Matchende legering til motorstasjon

Temperaturen stiger trinnvis gjennom en kompressor, så valg av legering følger temperaturkartet i stedet for komponentnavnet. Titanlegeringer som Ti-6Al-4V brukes der temperaturene holder seg moderate, nær-alfa-kvaliteter som Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo tar over i de varmere bakre stadiene av høytrykkskompressoren, og krypebestandig silisium som tåler høye temperaturer, er kombinert med høye temperaturer. belastning. Der temperaturen overstiger det nyttige området til titan, tar høytemperaturlegeringer eller kompositter over, og denne overgangstemperaturen er en av de viktigste designbeslutningene i motoren.

De praktiske konsekvensene for en titanleverandør er de samme i alle tilfeller: legeringskvaliteten,-varmebehandlingstilstanden, mikrostrukturen og ultralydkvalitetsnivået må alle tilpasses spesifikasjonene til den aktuelle stasjonen, fordi et vifteblad, en skive og en statorvinge er smidd og inspisert til forskjellige krav selv når de er laget av samme kvalitet.

Ofte stilte spørsmål

Spørsmål: Hvor stor andel av en jetmotor er titan?
For én amerikansk motorprodusent står titanlegeringsdeler for 7 % til 18 % av en motors nettomasse, tidlige turbojeter brukte ca. 6 %, en stor høy-bypass-turbofan bruker ca. 28 %, og en fellesutviklet 2,2 t motor når 31 %.

Spørsmål: Hvilken titanlegering brukes mest i flymotorer?
Ti-6Al-4V er den mest brukte kvaliteten, brukt på vifteblader, avstandsstykker og lavtrykks- og høytrykkskompressorrotorer.

Spørsmål: Hvorfor er viftebladene så mye lengre enn kompressorbladene?
Fordi viften feier et mye større ringrom; i motorene beskrevet her er viftebladene 406 mm og 711 mm lange, henholdsvis omtrent to og nesten ti ganger kompressorbladlengden.

Spørsmål: Hva er driftstemperaturgrensen for titan i en kompressor?
En nær-alfaklasse som Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo tåler ca. 480 grader, og det er derfor den brukes til de varmere høytrykkskompressortrinnene.

Spørsmål: Hvorfor brukes en-silisiumholdig titanlegering i enkelte kompressorer?
Karakterer av typen Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si gir høy krypemotstand, så de er valgt for trinn 3 til 6 av høytrykkskompressoren der både temperatur og belastning er høy.

Spørsmål: Hvilken titanlegering brukes til statorvinger?
Ti-5Al-2.5Sn brukes til statisk maskinvare som statorvinger, der dimensjonal og metallurgisk stabilitet betyr mer enn toppstyrke.